可編程接口芯片及其應(yīng)用

1、第八章 可編程接口芯片及其應(yīng)用模擬接口模擬接口模擬接口 DAC 0832及其與主機(jī)的連接 ADC 0809及其與主機(jī)的連接模擬量與數(shù)字量 模擬量連續(xù)變化的物理量n數(shù)字量數(shù)字量時(shí)間和量值上都離散的量時(shí)間和量值上都離散的量模擬模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬轉(zhuǎn)換器模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)1現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)2現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)n微型微型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路開開關(guān)關(guān)低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣保持器采樣保持器數(shù)字信號(hào)數(shù)字信

2、號(hào)受控對(duì)象受控對(duì)象控制信號(hào)控制信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動(dòng)電路放大驅(qū)動(dòng)電路自控系統(tǒng)的組成 傳感器：將各種現(xiàn)場(chǎng)的物理量測(cè)量出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（模擬電壓或電流） ，如光電、壓敏、熱敏等 放大器：把傳感器輸出的信號(hào)放大到ADC所需的量程范圍 低通濾波器：用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比 多路開關(guān)：把多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分時(shí)地接通到A/D轉(zhuǎn)換器 采樣保持器：周期性地采樣連續(xù)信號(hào)，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變采樣過(guò)程 采樣過(guò)程將時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間不連續(xù)的模擬信號(hào)。 這個(gè)過(guò)程是通過(guò)模擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。模擬開關(guān)每隔一定的時(shí)間間隔一次，一個(gè)連續(xù)信號(hào)通過(guò)這個(gè)開關(guān)，就形成一系列的脈沖信號(hào)，稱為采

3、樣信號(hào)。 采樣保持器 保持：電容充電 對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，可以不用 采樣電路增益為1量化過(guò)程 量化過(guò)程即是進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的過(guò)程，AD轉(zhuǎn)換將采樣后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 采樣后的信號(hào)雖然時(shí)間上不連續(xù)，但幅度仍然連續(xù)，仍為模擬信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能送入計(jì)算機(jī)。 量化過(guò)程會(huì)引入誤差 編碼 為了方便處理，通常將量化值進(jìn)行二進(jìn)制編碼。 最大量化誤差為12 LSB，對(duì)相同范圍的模擬量，編碼位數(shù)越多，量化誤差越小。 數(shù)字表示格式 對(duì)無(wú)正負(fù)區(qū)分的單極性信號(hào)，所有的二進(jìn)制編碼位均表示其數(shù)值大小。 對(duì)有正負(fù)的雙極性信號(hào)則必須有一位符號(hào)位表示其極性，通常有三種表示方法： 原碼 補(bǔ)碼 移碼：偏移二進(jìn)

4、制碼，這種編碼常用于雙極性模擬量的轉(zhuǎn)換。 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)字量 模擬量1101B 13D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（1）T型電阻網(wǎng)絡(luò)Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓電子開關(guān)電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗阻抗2R運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器虛地虛地D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（3）VaVREFVbVREF/2VcVREF/4VdVREF/8I

5、0Vd/2RVREF/（82R）I1Vd/2RVREF/（42R）I2Vd/2RVREF/（22R）I3Vd/2RVREF/（12R）D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（4）Iout1I0I1I2I3VREF/2R（1/81/41/21）RfbRVoutIout1RfbVREF（20212223）/24Vout（D/2n）VREF輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔次數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期鋸齒波周期DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入輸入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Io

6、ut2Iout1CSWR1WR2XFERDAC0832的數(shù)字接口 組成：T型電阻網(wǎng)絡(luò)電子開關(guān) 注意：不包含運(yùn)放 8位數(shù)字輸入端 DI0DI7（DI0為最低位） 輸入寄存器（第1級(jí)鎖存）的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器（第2級(jí)鎖存）的控制端 XFER*、WR2*直通鎖存器的工作方式兩級(jí)緩沖寄存器都是直通鎖存器 LE1，直通（輸出等于輸入） LE0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式 LE1LE21 輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832

7、輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：?jiǎn)尉彌_方式 LE11，或者LE21 兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài) 另一個(gè)寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式 兩個(gè)寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài) 能夠在對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，輸入另一個(gè)數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的模擬輸出 Iout1、Iout2電流輸出端

8、Rfb反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)） VREF參考電壓輸入端 10V10V AGND模擬信號(hào)地 VCC電源電壓輸入端 5V15V DGND數(shù)字信號(hào)地單極性電壓輸出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出：例子設(shè) VREF5V DFFH255時(shí)，最大輸出電壓：Vmax（255/256）5V4.98V D00H時(shí)，最小輸出電壓：Vmin（0/256）5V0V D01H時(shí)，一個(gè)最低有效位（LSB）電壓：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF雙極性電壓輸出：電路R1（R）R3（2R）R2（2R）Rf

9、bIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I20雙極性電壓輸出：公式取 R2R32R1得 Vout2（2Vout1VREF）因 Vout1（D/28）VREF故 Vout2（D27）/27）VREF雙極性電壓輸出：例子設(shè) VREF5V DFFH255時(shí)，最大輸出電壓：Vmax（255128）/1285V4.96V D00H時(shí)，最小輸出電壓：Vmin（0128）/1285V5V D81H129時(shí)，一個(gè)最低有效位電壓：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREFD/A轉(zhuǎn)換的性能指標(biāo) 分辨率：LSB所對(duì)應(yīng)的模擬量的大小

10、 如：8位DAC，分辨率為滿量程的1/256 精度 絕對(duì)精度：給定數(shù)值的輸出模擬量與理想值之差。 相對(duì)精度：總體的模擬輸出與理想值之差。 用滿量程（full-scale）誤差表示：如0.1%，1/2LSB等 建立時(shí)間：輸出穩(wěn)定到終值的1/2LSB所需的時(shí)間。輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零調(diào)零電位器電位器調(diào)滿刻度調(diào)滿刻度電位器電位器電源電源 5VADI10K1M1KVREF4. 地線的連接DGNDAGND模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路DAC0832與CPU接口示例無(wú)條件傳輸方式兩級(jí)緩沖方式必要時(shí)可以用8255作為前一

11、級(jí)輸出DAC0832與CPU接口示例（cont）設(shè)設(shè)CS由由A15A1經(jīng)譯碼產(chǎn)生，當(dāng)經(jīng)譯碼產(chǎn)生，當(dāng)A15A1=A0832時(shí)，時(shí)， CS有效。在有效。在CPU執(zhí)行執(zhí)行OUT指令時(shí)，若指令時(shí)，若A0=0，DAC0832內(nèi)內(nèi)部部LE1有效，數(shù)據(jù)總線上的值（有效，數(shù)據(jù)總線上的值（AL）送入數(shù)據(jù)輸入寄存）送入數(shù)據(jù)輸入寄存器器; 若若A0=1，DAC0832內(nèi)部?jī)?nèi)部LE2有效，數(shù)據(jù)輸入寄存器有效，數(shù)據(jù)輸入寄存器的值送的值送DAC寄存器。寄存器。A0832 EQU 200HMOV DX，A0832+0；A0=0OUT DX，AL ；AL的值為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字的值為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字MOV DX，A0832+1 ；A0

12、=1OUT DX，AL；AL的值無(wú)關(guān)的值無(wú)關(guān)ADC轉(zhuǎn)換的基本原理 ADC原理：用被變換信號(hào)與分層得到的若干量化刻度（Quantize Scale）相比較，看它的幅值在哪兩個(gè)刻度之間，然后取其整值的過(guò)程。 存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合 計(jì)數(shù)器式 逐次逼近式(ADC0809) 雙積分式 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度低；只能用于直流信號(hào)或慢變化信號(hào)的轉(zhuǎn)換， 優(yōu)點(diǎn)：一是精度高，且抗干擾能力強(qiáng)。 例如制作數(shù)字萬(wàn)用表等； 電荷平衡 ADC ：改進(jìn)雙積分的積分電容介質(zhì)吸收及速度問(wèn)題。 并行式1. 計(jì)數(shù)器式計(jì)數(shù)器式ADC原理 集成比較器是一種特殊的運(yùn)算放大器，它有兩個(gè)信號(hào)輸入端V+和V-，一個(gè)輸出

13、端，當(dāng)V+V-時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平。 由計(jì)數(shù)器對(duì)固定頻率信號(hào)CLK進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)輸出值送DAC，DAC的輸出模擬量Vo與輸入模擬量Vi在比較器中進(jìn)行比較，隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，Vo不斷增加，當(dāng)VoVi，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)的計(jì)數(shù)值即是模擬量Vi對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 以最低位為增減量單位的逐步計(jì)數(shù)法（慢）2. 逐次逼近式逐次逼近ADC原理 數(shù)字量由逐次逼近寄存器SAR產(chǎn)生。 SAR使用對(duì)分搜索法產(chǎn)生數(shù)字量 以8位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量的大小，若VoVi，清除最高位，若VoVi，保留最高位。 在最高位確定后，SAR又以對(duì)分搜索法確定次高位，即以低

14、7位的一半y1000000B(y為已確定位) 試探模擬量的大小。 重復(fù)這一過(guò)程，直到最低位bit0被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束 以最高位開始逐步試探，快3. 雙積分式IREFIinVinVREF積分器積分器比較器比較器V/IV/I時(shí)鐘時(shí)鐘啟動(dòng)計(jì)數(shù)啟動(dòng)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出數(shù)字輸出T2T1Vc固定斜率固定斜率時(shí)間可變時(shí)間可變固定時(shí)間固定時(shí)間斜率可變斜率可變轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束雙積分式ADC原理 基本思想是將被變換的電壓轉(zhuǎn)換成與其幅度成正比的時(shí)間（V/T轉(zhuǎn)換）,然后對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量（計(jì)數(shù)高頻時(shí)鐘脈沖）。平均值！ 先時(shí)間固定積分，得V0 再電壓固定積分（稱“反向積分”），使輸出V0 對(duì)反向積分的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值

15、即ADC的數(shù)據(jù)4. 并行式速度快、成本高直接比較法編編碼碼電電路路VinVREF數(shù)字輸出數(shù)字輸出比較器比較器RRRRRRR/2R/2ADC0809芯片 具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能vCMOS工藝制作v8位逐次逼近式ADCv支持雙極性模擬輸入v轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 包含擴(kuò)展部件多路開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存地址鎖存和譯碼和譯碼OE通道通道選擇選擇開關(guān)開關(guān)ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三態(tài)三態(tài)鎖存鎖存緩沖器緩沖器DACVcc比較器比較器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄

16、存器寄存器SAR定時(shí)和控制定時(shí)和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1. ADC0809的模擬輸入 提供一個(gè)8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯IN0IN7：8個(gè)模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：3個(gè)地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號(hào) ALE的上升沿用于鎖存3個(gè)地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個(gè)模擬輸入中選擇一個(gè)模擬輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換2. ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序D0D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100 s2 s+8T(最大最大)200ns(最小最小)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)3. ADC0809的數(shù)字輸出 ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的

17、數(shù)字量 具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0D7 配合輸出允許信號(hào)OEo 當(dāng)輸出允許信號(hào)OE為高電平有效時(shí)，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0D7輸出4. ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸入模擬電壓輸入模擬電壓輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓正正極極基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓負(fù)負(fù)極極單極性轉(zhuǎn)換示例 基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V，VREF()0V 輸入模擬電壓Vin1.5VN （1.50）（50）25676.8774DH雙極性轉(zhuǎn)換示例 基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V，VREF()5V 輸入模擬電壓Vin1.5VN （1.55）（55）25689.6905AHADC芯片與主機(jī)的連接 ADC芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備”，需要接口電路提供數(shù)

18、據(jù)緩沖器 主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動(dòng) 主機(jī)還需要及時(shí)獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理 與主機(jī)的連接可分成兩種方式q直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的ADC芯片q通過(guò)三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（1） 啟動(dòng)信號(hào)一般有兩種形式q脈沖信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換q電平信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換啟動(dòng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（2） 主機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)有兩種方法q編程啟動(dòng)軟件上，執(zhí)行一個(gè)輸出指令硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動(dòng)脈沖，或產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)有效電平q定時(shí)啟動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)來(lái)自定時(shí)器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理v不同的處理方式對(duì)應(yīng)程序設(shè)計(jì)方法不同 查詢方

19、式把結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)信號(hào) 中斷方式把結(jié)束信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào) 延時(shí)方式不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) DMA方式把結(jié)束信號(hào)作為DMA請(qǐng)求信號(hào)ADC芯片的應(yīng)用 例1 編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理 例2 編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢處理例1：中斷方式D0D7220hIRQ2A0A9譯碼譯碼VccD0D7EOCADDAADDBADDCALE模擬輸入模擬輸入（05V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-) IOR IOW;數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段adtemp db 0;給定一個(gè)臨時(shí)變量給定一個(gè)臨時(shí)變量;代碼段代碼段;設(shè)置中斷向量等工作設(shè)置中斷向量等工作sti;開中斷開中斷mov dx,22

20、0hout dx,al;啟動(dòng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換;其他工作其他工作例1 主程序 例1：中斷服務(wù)程序（1）adint procsti;開中斷開中斷push ax;保護(hù)寄存器保護(hù)寄存器push dxpush dsmov ax,data ;設(shè)置數(shù)據(jù)段設(shè)置數(shù)據(jù)段DSmov ds,axmov dx,220hin al,dx;讀讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量轉(zhuǎn)換的數(shù)字量mov adtemp,al ;送入緩沖區(qū)送入緩沖區(qū)mov al,20h;發(fā)送發(fā)送EOI命令命令out 20h,alpop ds;恢復(fù)寄存器恢復(fù)寄存器pop dxpop axiret;中斷返回中斷返回adintendp例1：中斷服務(wù)程序（2）例2：查詢方式8通道通道模擬輸入模擬輸入（05V）VccD7A3A9D0D7D0D7OEEOCA0A1A2ADDAADDBADDC 譯碼譯碼50